一種定量評價空間鉸接桿系結(jié)構構件重要性的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種定量評價空間鉸接桿系結(jié)構構件重要性的方法。本發(fā)明考察單元冗余度分布的均勻性，將單元冗余度標準差與單元冗余度平均值的商定義為鉸接桿系結(jié)構的單元冗余度分布指數(shù)，將桿件拆除后剩余結(jié)構的單元冗余度分布指數(shù)定義為構件重要性指標。本發(fā)明可采用計算機編程(如MATLAB)實現(xiàn)鉸接桿系結(jié)構構件重要性的判定，有效規(guī)避突發(fā)荷載不確定性帶來的局限，具有較強的操作性，發(fā)展了鉸接桿系結(jié)構魯棒性的研究理論，為空間鉸接桿系體系提供了結(jié)構優(yōu)化設計的依據(jù)，具有廣闊的應用前景。
【專利說明】
-種定量評價空間絞接桿系結(jié)構構件重要性的方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及空間結(jié)構體系優(yōu)劣和構件重要性定量評價方法，屬于空間結(jié)構工程分 析與設計技術領域。
【背景技術】
[0002] 隨著結(jié)構設計技術的創(chuàng)新和新型結(jié)構形式的不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)代結(jié)構向著輕質(zhì)、大體 量和多樣化的方向發(fā)展，出現(xiàn)了許多大跨度空間結(jié)構，其中較接桿系體系運用最為廣泛。運 些建筑結(jié)構體系構件數(shù)量眾多，局部構件的破壞有可能引起結(jié)構的連續(xù)性倒塌，因此運類 結(jié)構的魯棒性設計顯得尤為重要。構件重要性是結(jié)構魯棒性設計的一個重要指標，能簡潔 地反映結(jié)構整體安全性。已有研究通過大量的力學分析，對特定荷載組合下的結(jié)構構件重 要性進行評價，由于實際突發(fā)荷載具有偶然性與不確定性，基于力學分析的結(jié)構構件重要 性評價方法不能準確反映結(jié)構實際的受力情況，存在局限性。因此，對于較接桿系結(jié)構，基 于結(jié)構本身物理特性的構件重要性分析具有非常重要的實際意義和發(fā)展前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種定量評價空間較接桿系結(jié)構構件重要性 的方法，為空間較接桿系體系提供結(jié)構優(yōu)化設計的更準確的依據(jù)。
[0004] -種定量評價空間較接桿系結(jié)構構件重要性的方法，其特征在于，所述方法將結(jié) 構冗余分布的均衡性作為評價標準，定義拆除構件j后，剩余結(jié)構的單元冗余度標準差與剩 余結(jié)構的單元平均冗余度的商為剩余結(jié)構單元冗余度分布指數(shù);并包括W下步驟：
[0005] (1)、將構件分別從較接桿系結(jié)構上拆除，并定義拆除不同的構件為不同的破壞模 式；
[0006] (2)、通過考察拆除不同構件的破壞模式下，剩余結(jié)構單元冗余度分布指數(shù)的大小 來比較空間較接桿系結(jié)構單元的重要性。
[0007] 較接桿系結(jié)構單元冗余度平均值F為：
[000引
（1)
[0009] 其中，n為結(jié)構整體冗余度，即結(jié)構超靜定數(shù)，b為較接桿系結(jié)構的構件數(shù)。
[0010] 較接桿系結(jié)構單元冗余度標準差曰為：
[0011]
(2)
[0012] 其中，b為較接桿系結(jié)構的構件數(shù)，ri為冗余度矩陣R的第i個對角元素，對應i號構 件的單兀幾余度，Ti = Riio
[0013] 較接桿系結(jié)構的單元冗余度分布指數(shù)A為：
[0014]
(3)
[0015] 本發(fā)明定義拆除不同構件為不同的破壞模式，通過對比不同破壞模式下剩余結(jié)構 單元冗余度分布的均衡性來評價構件重要性。因此，基于單元冗余度分布指數(shù)A,本發(fā)明定 義拆除構件j后的剩余結(jié)構單元冗余度分布指數(shù)為構件j的構件重要性系數(shù)。
[0016] 拆除構件j后，空間較接桿系結(jié)構剩余結(jié)構的單元平均冗余度虧為：
[0017]
(4)
[0018] 其中，j為拆除構件對應的編號，并對應破壞模式編號；
[0019] 拆除構件j后，空間較接桿系結(jié)構剩余結(jié)構單元的冗余度標準差Oj為：
[0020]
(5)
[0021 ]其中^1^為拆除構件^'后剩余結(jié)構中1號構件的單元冗余度。
[0022] 拆除構件j后，空間較接桿系結(jié)構剩余結(jié)構單元冗余度分布指數(shù)A北勺表達式為：
[0023]
(6)
[0024] 本發(fā)明通過考察構件拆除后，剩余結(jié)構單元冗余度分布指數(shù)的大小來定量評價較 接桿系結(jié)構構件重要性。本發(fā)明具有W下技術效果：
[0025] (1)單元冗余度分布指數(shù)A能夠定量反映結(jié)構冗余分布的均衡性。A越小則結(jié)構冗 余分布越均勻，結(jié)構整體性和安全性越好;反之，則結(jié)構冗余分布越不均勻，結(jié)構整體性和 安全性越差。
[0026] (2)構件拆除后剩余結(jié)構的單元冗余度分布指數(shù)Aj反映構件易損性，可作為構件 重要性評價指標。構件j對應的單元冗余度分布指數(shù)越大，說明拆除桿件j對結(jié)構整體安 全性的影響越大，構件重要性越高;反之，則構件重要性越小。
[0027] (3)剩余結(jié)構的單元冗余度分布指數(shù)乍為構件重要性評價指標，可體現(xiàn)結(jié)構本 身的物理特性，不受外荷載影響。該評價方法簡潔明了，避免了復雜的力學分析和繁冗的數(shù) 值迭代計算，其優(yōu)勢在復雜較接桿系結(jié)構中更為突出。
[0028] 綜上，本發(fā)明從冗余分布的角度對超靜定較接桿系體系的結(jié)構整體性和構件重要 性進行定量評價。較接體系結(jié)構單元冗余度分布指數(shù)A是剛度和幾何拓撲等結(jié)構自身物理 特性的體現(xiàn)，可W反映單元冗余的分布情況，并且不受外荷載的影響，可W有效規(guī)避突發(fā)荷 載不確定性帶來的局限。因此，可通過考察剩余結(jié)構的單元冗余度分布指數(shù)來定量評價 構件重要性。
[0029] 本發(fā)明可實現(xiàn)計算機編程(如MTLAB)對較接桿系結(jié)構構件重要性進行判定，具有 較強的操作性，發(fā)展了較接桿系結(jié)構魯棒性的研究理論，為空間較接桿系體系提供了結(jié)構 優(yōu)化設計的依據(jù)，具有廣闊的應用前景。
【附圖說明】
[0030] 圖Ia為六角星形寫頂俯視圖；
[0031] 圖化為六角星形寫頂幾何參數(shù)圖；
[0032] 圖2為六角星形寫頂構件分組圖；
[0033] 圖3a為六角星形寫頂破壞形式1圖；
[0034] 圖3b為六角星形寫頂破壞形式2圖；
[0035] 圖3c為六角星形寫頂破壞形式3圖；
[0036] 圖4為六角星形寫頂結(jié)構單元冗余度分布指數(shù)圖；
【具體實施方式】
[0037] W圖1所示六角星形寫頂為例，該空間較接桿系結(jié)構由24根較接構件組成，總節(jié)點 數(shù)為13,其中自由節(jié)點數(shù)為7,約束節(jié)點數(shù)為6。所有構件截面面積為A = 313cm2,彈性模量為 E = 3.030X 105MPa，結(jié)構內(nèi)圈半徑為Rl = 25cm，結(jié)構外圈半徑為R2 = 43.3cm，結(jié)構內(nèi)圈矢高 為111 = 2.0畑1，外圈矢高為112 = 6.66畑1。
[0038] (1)根據(jù)結(jié)構對稱性對構件進行分組，所有外層縱桿為①組，所有環(huán)桿為②組，所 有內(nèi)層縱桿為③組，分組如圖2所示。
[0039] (2)根據(jù)結(jié)構冗余分布矩陣R，分別計算單元冗余度標準差O與單元冗余度平均值 F;
[0040]
[0041 ]進而計算結(jié)構單元冗余度分布指數(shù)A:
[0042]
[0043] 計算結(jié)果如圖4所示。
[0044] (3)分別拆除①組、②組、③組中的一根桿件，記作破壞形式1、2、3，破壞形式如圖3 所示。=種破壞形式下，剩余結(jié)構單元冗余度平均值分別為：
[0045]

[0046] 講一巧化，計貸二種破巧形式下剩余結(jié)構的單元冗余度標準差：
[0047]
[004引
[0049]
[0050] 進一步地，計算剩余結(jié)構單元冗余度分布指數(shù)：
[0化1 ]
[0052] 定義剩余結(jié)構單元冗余度分布指數(shù)Al, A2，A3為該六角星形寫頂?shù)臉嫾匾灾?標，并對構件重要性進行排序，計算結(jié)果如圖4所示。
[0053] 原始結(jié)構的冗余度為n = 3，S種破壞形式下結(jié)構的冗余度均為m,2,3 = 2,說明拆除 任意一根桿件都會對結(jié)構整體性造成削弱。由圖4中的計算結(jié)果可知，原始結(jié)構單元冗余度 分布指數(shù)為A = O.397，=種破壞形式下的剩余結(jié)構單元冗余度分布指數(shù)分別為、= 〇.648， 入2 = 0.645，A3 = 0.526，因此，破壞形式1對結(jié)構整體性削弱最大，破壞形式2次之，破壞形式3 最小。破壞形式1，2,3分別對應①組、②組、③組中一個構件的拆除，則該六角星形寫頂?shù)臉?件重要性排序為:①組構件 > ②組構件> ③組構件。
[0054]其中，空間較接桿系結(jié)構的冗余度矩陣R與單元冗余度的關系可采用W下公式表 達：
[0化5]
[0056]其中，n為結(jié)構整體冗余度（即超靜定數(shù)），R為冗余度矩陣，ri為冗余度矩陣R的第i 號對角元素對應i號構件的單元冗余度，b為較接桿系結(jié)構的構件數(shù)，k為較接桿系結(jié)構的節(jié) 點數(shù)，a為較接桿系結(jié)構的約束自由度數(shù)。
【主權項】
1. 一種定量評價空間鉸接桿系結(jié)構構件重要性的方法，其特征在于，所述方法將結(jié)構 冗余分布的均衡性作為評價標準，定義拆除構件j后，剩余結(jié)構的單元冗余度標準差與剩余 結(jié)構的單元平均冗余度的商為剩余結(jié)構單元冗余度分布指數(shù);并包括以下步驟： (1 )、將構件分別從鉸接桿系結(jié)構上拆除，并定義拆除不同的構件為不同的破壞模式； (2)、通過考察拆除不同構件的破壞模式下，剩余結(jié)構單元冗余度分布指數(shù)的大小來比 較空間鉸接桿系結(jié)構單元的重要性。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種定量評價空間鉸接桿系結(jié)構構件重要性的方法，其特征 在于，其還通過剩余結(jié)構單元冗余度分布指數(shù)評價結(jié)構冗余分布的均衡性。3. 根據(jù)權利要求1所述的一種定量評價空間鉸接桿系結(jié)構構件重要性的方法，其特征 在于， 拆除構件j后，剩余結(jié)構的單元平均冗余度5為：(4) 其中，η為結(jié)構整體冗余度，即結(jié)構超靜定數(shù)，b為鉸接桿系結(jié)構的構件數(shù);j為拆除構件 對應的編號，并對應破壞模式編號； 拆除構件j后，剩余結(jié)構的單元冗余度標準差為：(5) 其中，rj為拆除構件j后剩余結(jié)構中i號構件的單元冗余度，b為鉸接桿系結(jié)構的構件 數(shù)； 空間鉸接桿系剩余結(jié)構單元冗余度分布指數(shù)h的表達式為：(6) ,
【文檔編號】G06F17/50GK106021705SQ201610326844
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月17日
【發(fā)明人】袁行飛, 蔣淑慧, 丁銳, 馬爍
【申請人】浙江大學